超声化学合成金属氧化物粉体的结构、性能与应用

发布时间：2017-04-27 19:10

  本文关键词：超声化学合成金属氧化物粉体的结构、性能与应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着微加工技术的发展,纳米金属氧化物在器件方面的应用越来越受关注,因此,其制备近年来一直是研究的焦点。本文采用的制备方法是超声化学法,它利用空化效应产生的局部高温、高压、以及微射流和冲击波等条件制备结构新颖的纳米金属氧化物材料,如氧化铜、氧化亚铜、氧化镍和氧化铝等。其中,α-Al2O3作为一种硬质粒子,与Ni-P合金共沉积,可以显著提高基体的机械性能。然而,α-Al2O3颗粒在酸性水溶液中带正电荷,在酸性的高浓度的硫酸盐镀液中则带电荷密度很小的负电荷,因而分散性差,这不利于获得高性能的Ni-P-Al2O3化学复合镀层。本论文旨在对Al2O3前驱体进行改性,以提高α-Al2O3颗粒的电位,通过选择合适的表面活性剂实现纳米α-Al2O3颗粒在高离子浓度镀液中的有效分散,从而获得具有优异的机械性能和耐腐蚀性能的复合镀层。首先,利用超声化学法制备了不同形貌的CuO和Cu2O,而Cu2O是以抗坏血酸直接对CuO还原得到的,并讨论了NaOH的浓度对CuO和Cu2O的形貌、结构和光学性质的影响;以硫酸镍和尿素为原料在超声辐射条件下反应得到的是NiO2.45C0.74N0.25H2.90前驱体,结合热处理即可获得层状多孔结构的NiO,对其表面特性和光学性质进行了进一步探究;以超声化学法制备的Al2O3前驱体是无定形Al(OH)3和碱式碳酸铝铵的混合物,在1100°C下对其热处理2 h即得到α-Al2O3。以十二烷基苯磺酸钠(SDBS)对前驱体进行改性,克服了α-Al2O3在烧结过程中产生的硬团聚,其粒径和zeta电位都受SDBS浓度的影响。在SDBS浓度为7 wt.%时,α-Al2O3的中位径为25 nm,zeta电位为-31.3 mV,以此α-Al2O3进行化学复合镀。其次,本文对Ni-P化学镀的工艺参数进行了优化。采用正交试验确定了镀液中主盐硫酸镍和还原剂次磷酸钠的浓度、施镀温度及pH分别为40 g/L,30 g/L,75°C和5.50。探索了热处理温度对镀层晶体结构、显微硬度的影响。采用单因素分析法分别讨论了络合剂DL-苹果酸,乳酸和柠檬酸对镀层含磷量、沉积速率、表面形貌和显微硬度的影响,确定了络合剂组成为DL-苹果酸:10 g/L,乳酸:10 g/L,柠檬酸:5 g/L。对比了(NH4)2SO4、NH4F和NH4HF2这三种缓冲剂对镀液的缓冲能力,镀层的含磷量、沉积速率、显微硬度和耐磨、耐蚀性能的影响。结果表明,NH4F的缓冲性最好,在浓度为20 g/L时,镀层的平均显微硬度为898.4 HV,平均沉积速率为7.65μm/h,耐磨和耐腐蚀性能也最优,镀层与基体之间的结合力良好。然后,在0.15 g/L吐温-20的基础上,分别结合十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、十二烷基硫酸钠(SDS)和聚丙烯酸(PAA)对改性的纳米α-Al2O3颗粒进行分散,以CTAB的分散效果最好,α-Al2O3在镀层中分散最为均匀。在CTAB为0.5 g/L时,Ni-P-Al2O3复合镀层中Al2O3含量为13.01 wt.%,显微硬度为1157.4 HV。另外,还探讨了机械球磨时间和镀液中Al2O3浓度对镀层性能的影响,在球磨时间为2 h和Al2O3 5 g/L时,镀层性能最好。与未改性的α-Al2O3共沉积获得的镀层相比,镀层的性能显著提高了。最后,鉴于Ni-P-Al2O3复合镀层的耐腐蚀性能较差,结合Ni-P镀层优异的耐腐蚀性能,探讨了双层化学镀的工艺,旨在改善镀层的耐腐蚀性。以Ni-P镀层作底层,Ni-P-Al2O3镀层作表面层时,分别探讨了Ni-P镀层的沉积时间、球磨时间、CTAB浓度和镀液中Al2O3浓度对Ni-P/Ni-P-Al2O3双层镀层性能的影响,在Ni-P镀层沉积60 min,CTAB 10 wt.%,球磨时间2 h和Al2O3 5 g/L时,镀层的显微硬度为1766.2 HV,耐磨和耐腐蚀性能也较Ni-P-Al2O3复合镀层有显著提高。另外,对于Ni-P/Ni-P-Al2O3双层镀层,本文采用的是在Ni-P镀层沉积完成后,在正施镀的Ni-P化学镀液中加入Al2O3浆料,避免了换镀槽时Ni-P镀层在高温下与空气接触而氧化,显著提高了镀层的性能。考虑到Al2O3颗粒沉积到Ni-P合金中时增加了镀层表面的孔隙率,在Ni-P-Al2O3复合镀层表面沉积了一层Ni-P合金。在Ni-P镀层沉积30 min时,得到的镀层的显微硬度为1298.2 HV,但是镀层的耐磨和耐腐蚀性能较Ni-P/Ni-P-Al2O3双层镀层更优异。本论文实现了纳米α-Al2O3颗粒在高离子浓度镀液中的有效分散,制备了机械性能优良的Ni-P-Al2O3复合镀层;与此同时,结合不同镀层的性能制备了Ni-P/Ni-P-Al2O3和Ni-P/Ni-P-Al2O3双层镀层,为制备耐磨和耐腐蚀性能均优异的化学镀层提供了重要参考。
【关键词】：金属氧化物 表面改性 Ni-P镀 Ni-P-Al2O3复合镀 双层镀
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 引言13
• 1.2 纳米金属氧化物的物理特性与应用13-17
• 1.2.1 氧化铜和氧化亚铜14
• 1.2.2 氧化镍14-15
• 1.2.3 α-氧化铝15-17
• 1.3 纳米氧化铝的改性17-19
• 1.3.1 纳米粉体的表面改性方法17-18
• 1.3.2 纳米粉体的表面改性剂18-19
• 1.4 超声化学沉淀法19-21
• 1.5 化学镀Ni-P合金21-26
• 1.5.1 化学镀Ni-P合金的特点21-22
• 1.5.2 化学镀Ni-P合金的性能与应用22-23
• 1.5.3 化学镀Ni-P合金的机理23-26
• 1.6 Ni-P-Al_2O_3化学复合镀26-28
• 1.6.1 纳米化学复合镀的沉积机理26
• 1.6.2 纳米颗粒的强化机制26-27
• 1.6.3 纳米粉体在镀液中的分散27-28
• 1.6.4 Ni-P/Al_2O_3纳米化学复合镀28
• 1.7 本文研究的目的、意义及主要内容28-31
• 第二章 超声化学合成金属氧化物31-64
• 2.1 实验材料与仪器设备31-33
• 2.1.1 实验药品31
• 2.1.2 实验仪器31-32
• 2.1.3 分析测试方法32-33
• 2.2 纳米CuO和Cu_2O的制备33-41
• 2.2.1 CuO的结构与性能34-38
• 2.2.2 Cu_2O的结构与性能38-41
• 2.3 层状NiO微球的制备41-47
• 2.4 纳米 α-Al_2O_3的制备及其改性47-62
• 2.4.1 纳米 α-Al_2O_3的制备47-55
• 2.4.2 纳米 α-Al_2O_3的改性55-62
• 2.5 本章小结62-64
• 第三章 化学镀Ni-P合金64-102
• 3.1 实验部分64-71
• 3.1.1 实验用原料64-65
• 3.1.2 化学镀主要仪器设备及实验装置65-66
• 3.1.3 化学镀的工艺流程66-69
• 3.1.4 分析测试方法69-71
• 3.2 镀液主要组成和工艺参数的影响71-78
• 3.2.1 Ni-P镀层的形貌和化学组成分析71-72
• 3.2.2 正交实验72-74
• 3.2.3 热处理温度的影响74-77
• 3.2.4 活化时间的影响77-78
• 3.3 镀液成分的影响78-100
• 3.3.1 络合剂的影响78-86
• 3.3.2 缓冲剂的影响86-100
• 3.4 本章小结100-102
• 第四章 Ni-P-Al_2O_3纳米复合镀层的制备及性能研究102-126
• 4.1 未改性 α-Al_2O_3的复合镀102-112
• 4.1.1 沉降性实验103-106
• 4.1.2 阿拉伯树胶浓度对复合镀层性能的影响106-108
• 4.1.3 CTAB浓度对复合镀层性能的影响108-109
• 4.1.4 SDS浓度对复合镀层性能的影响109-111
• 4.1.5 阿拉伯树胶与CTAB复配对复合镀层性能的影响111-112
• 4.2 改性 α-Al_2O_3的复合镀112-124
• 4.2.1 吐温-20对复合镀层的影响112-115
• 4.2.2 表面活性剂对复合镀层的影响115-118
• 4.2.3 机械球磨时间对复合镀层的影响118-120
• 4.2.4 镀液中氧化铝浓度对复合镀层的影响120-124
• 4.3 本章小结124-126
• 第五章 化学双层镀126-152
• 5.1 Ni-P/Ni-P-Al_2O_3双层镀126-144
• 5.1.1 Ni-P镀的时间对镀层性能的影响127-130
• 5.1.2 球磨时间对镀层性能的影响130-133
• 5.1.3 CTAB浓度对镀层性能的影响133-136
• 5.1.4 氧化铝浓度对镀层性能的影响136-139
• 5.1.5 工艺条件的选择139-141
• 5.1.6 镀层的耐磨性能141-142
• 5.1.7 镀层的耐腐蚀性能142-144
• 5.2 Ni-P-Al_2O_3/Ni-P双层镀层144-150
• 5.2.1 Ni-P镀的时间对镀层性能的影响144-146
• 5.2.2 镀层的耐磨性能146-147
• 5.2.3 镀层的耐腐蚀性能147-150
• 5.3 本章小结150-152
• 结论152-154
• 一 主要的研究结论152-153
• 二 创新之处153
• 三 工作展望153-154
• 参考文献154-167
• 攻读学位期间发表的学术论文167-168
• 致谢168-169
• 附件169

【参考文献】

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1 宋宏峰;铸铁化学镀镍磷工艺及性能研究[D];太原理工大学;2006年

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本文编号：331251